天文学与宇宙

暗物质与暗能量 一、星系团里的失踪案 1933 年，加州理工学院的一位瑞士天文学家给星系团做了一次"称重"，结果让整个天文学界不得安宁。弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky，1898-1974 年）观测了后发座星系团——一个包含上千个星系的庞然大物。他用两种方法估算星系团的质量：一是数星系、量亮度，“称"出可见物质的总质量；二是测量星系的运动速度，用引力定律推算需要多少质量，才能把这群高速飞奔的星系束缚在一起。 ...

太阳系探索 一、离开摇篮 1957 年，第一颗人造卫星升空，人类第一次把"手"伸出了大气层。但卫星只是绕着地球打转——真正的远征，从行星开始。美国的水手计划（Mariner）承担了开路先锋的角色：1962 年，水手 2 号飞掠金星，成为人类第一个成功造访另一颗行星的探测器；1965 年，水手 4 号飞掠火星，传回 21 张照片——布满环形山的荒凉地表，击碎了"火星运河"的浪漫幻想，却也点燃了真正的行星科学。 ...

系外行星与宜居世界 一、一个古老的问题 人类仰望星空时，总会问同一个问题——那些恒星旁边，是否也有行星？那些行星上，是否也有生命？这个问题被追问了两千多年，却始终停留在哲学层面——因为在 20 世纪 90 年代之前，天文学家连一颗太阳系外的行星都没有找到过。 ...

射电天文学——倾听宇宙的静默之声 一、意外打开的窗口 可见光只是电磁波谱上极窄的一段。在红光之外，还有红外线、微波、射电波——它们的波长比可见光长得多，人眼完全无法感知。宇宙在这些波段上是什么样子？在 20 世纪 30 年代之前，没有人知道，甚至没有人认真想过这个问题。 ...

宇宙微波背景——大爆炸的余晖 一、一个被预言的遗迹 如果宇宙真的诞生于一场大爆炸，那么它应该还留着余温。这个推理听起来简单，却蕴含了 20 世纪宇宙学最深刻的洞察。 20 世纪 40 年代，物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow，1904-1968 年）及其合作者提出了"热大爆炸"理论——宇宙早期是一个炽热致密的火球，随着宇宙膨胀，这团原始火焰的光应该已经冷却到接近绝对零度，以微波的形式弥漫在整个天空中。到了 20 世纪 60 年代，普林斯顿大学的罗伯特·迪克（Robert Dicke，1916-1997 年）和他的同事独立地重新推导出了这个预言，并着手建造一台专门探测这种辐射的射电望远镜。他们预言，这种"宇宙微波背景辐射"（Cosmic Microwave Background，CMB）对应的温度大约是几开尔文。 ...

多信使天文学 一、只靠光的时代 千百年来，人类认识宇宙只有一扇窗口——光。从肉眼仰望星空，到望远镜捕捉可见光，再到射电、红外、X 射线望远镜把观测扩展到整个电磁波谱——我们接收到的，本质上都是光子。然而宇宙并不只用光说话。恒星坍缩、黑洞相撞时释放的能量，大部分并不以光的形式出现——它们化作时空本身的震颤、幽灵般的粒子和极速飞行的原子核。二十世纪的物理学家们相信，只有同时倾听这些不同的"信使"，人类才能真正读懂宇宙。这个梦想，在二十一世纪的第二个十年里变成了现实——多信使天文学（Multi-messenger Astronomy）诞生了。 ...

中国天文学史 一、观象授时的国度 在世界各文明中，中国或许是仰望星空最持久的一个。天文在中国从来不只是学问——它是皇权的根基。古人相信"天人感应"，天象的异常被视为上天对帝王的警示；而制定一部精确的历法，则是王朝合法性的象征。因此，从司马迁在《史记》中设立《天官书》开始，历代正史都有天文志与历志——这份绵延数千年几乎不间断的天象记录，直到今天仍是现代天文学家研究超新星与彗星的宝库。著名的蟹状星云，正是中国史官在 1054 年记录的"天关客星"留下的遗迹。 ...

太空竞赛 一、来自太空的哔哔声 1957 年 10 月 4 日深夜，苏联哈萨克斯坦的拜科努尔发射场，一枚由洲际导弹改装的火箭托举着一颗 83.6 公斤的抛光铝球升入夜空。这颗名叫斯普特尼克一号（Sputnik 1）的人造卫星进入轨道后，开始以固定的节奏向地面发送无线电信号——“哔……哔……哔……"。任何人用一台普通的短波收音机，都能收听到这个来自太空的声音。 ...

寻找外星生命 一、一个写在黑板上的方程 1959 年，物理学家朱塞佩·科可尼（Giuseppe Cocconi，1914-2008 年）和菲利普·莫里森（Philip Morrison，1915-2005 年）在《自然》杂志发文提出：如果外星文明存在，他们最可能用 1420 兆赫兹的无线电波与我们联络——那是中性氢原子的特征频率，宇宙中最普遍的"通用频道"。 ...

宇宙的未来 一、热寂——一个来自蒸汽机时代的预言 宇宙的结局会是什么？这个问题听起来纯粹属于天文学家，但它最早的答案却出自研究蒸汽机的人。 19 世纪中叶，物理学家研究热机效率时发现了一条冷酷的定律——热力学第二定律：孤立系统中熵只增不减，热量总从高温流向低温，有序总趋向混乱。1865 年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius，1822-1888 年）正式提出熵的概念，并把这条定律推广到整个宇宙：宇宙的熵趋向最大值，能量趋向彻底均匀。 ...